Принцип действия АЦП последовательного приближения

Для того, чтобы выходное напряжение ФНЧ не было инвертированным по отношению  к входному сигналу АЦП, фильтр 1-го порядка построен по не инвертирующей схеме включения операционного усилителя.

Передаточная функция фильтра 1-го порядка имеет вид:

, где

T – постоянная времени фильтра 1-го порядка

p – оператор Лапласа.

 

Пусть С14=1нФ, тогда

КОм

Поскольку не инвертирующая схема  операционного усилителя в данном включении не может обеспечить единичный  коэффициент преобразования, назначим фильтру коэффициент, равный двум. Это  приведет к тому, что диапазон выходных напряжений фильтра будет в 2 раза больше диапазона входных напряжений, и составит ±5,12В. Из этого следует, что

R28=R7=1.15 КОм

Функция преобразования ФНЧ выглядит следующим образом:

Из этого выражения можно вычислить, что на частоте f_d-f_c уровень сигнала составит 0,0095%

Типы и номиналы пассивных элементов  ФНЧ приведены в таблице 4.2.1.

 

Таблица 4.2.1. Типы и номиналы пассивных  элементов ФНЧ.

Обозначение	Тип
R9, R12	C2-13 – 0.125 – 909Ом ±0,1%
R11, R13	C2-13 – 0.125 – 5,49КОм ±0,1%
C8, C9	К10-43 – 50В – 750пФ ±1%
C10, C11	К10-43 – 50В – 360пФ ±1%
R27, R28	C2-13 – 0.125 – 1.15KОм ±0,1%
С14	К10-43 – 50В – 1000пФ ±1%

 

 

4.3. Проектирование  ПСЗ.

Преобразователь среднего значение имеет  своей целью обеспечить на выходе напряжение, постоянная составляющая которого пропорциональна среднему значению выпрямленного входного сигнала.

В данной схеме используется активный двухполупериодный выпрямитель  на двух операционных усилителях.

Принципиальная схема ПСЗ приведена на рисунке 4.3.1.

Рисунок 4.3.1 Принципиальная схема  ПСЗ.

Произведем расчет номиналов резисторов предложенного ПСЗ.

В качестве диодов VD1 и VD2 используются высокочастотные импульсные диоды КД522А.

Пусть U_ВХ>0, тогда входной сигнал приходит на инвертирующий операционный усилитель DA7. Диод VD1 – закрыт, а VD2 – открыт. Цепь обратной связи замыкается через сопротивление R21. Проинвертированное напряжение проходит на операционный усилитель DA8.

Запишем сумму токов на инвертирующем  входе усилителя DA8:

Пусть U_ВХ<0, тогда открывается диод VD1, замыкая цепь обратной связи. Она задает нулевой коэффициент усиления усилителя DA7.

Выходное напряжение ПСЗ можно  определить как :

Для сохранения постоянства коэффициента преобразования для положительной  и отрицательной полуволн сигнала  необходимо выполнить условие:

=1

 

Зададим коэффициент усиления усилителя  DA8 равный 1.

, ,

тогда коэффициент усиления усилителя  DA7 должен быть равным 2.

Типы и номиналы резисторов ПСЗ  приведены в таблице 4.3.1.

Таблица 4.3.1.  Типы и номиналы резисторов ПСЗ

Обозначение	Тип
R18	C2-13 – 0.125 – 100КОм ±0,1%
R21	C2-13 – 0.125 – 200КОм ±0,1%
R25, R22	C2-13 – 0.125 – 100КОм ±0,1%
R23	C2-13 – 0.125 – 91КОм ±0,1%
R24	СП3-19А-0.5-10кОм 10%;

 

 

4.4. Проектирование УВХ.

При обработке аналоговых сигналов, изменяющихся с частотой, соизмеримой или большей, чем скорость работы АЦП, из аналогового сигнала приходится делать выборки. Для этого некоторое значение сигнала в определенный моменты запоминается на время, необходимое для того, чтобы АЦП преобразовал его в двоичный код. Эту функцию выполняет устройство выборки и хранения аналогового сигнала – аналоговое запоминающее устройство. Таким образом, с помощью УВХ осуществляется дискретизация сигнала по времени.

Установка устройства выборки хранения на вход АЦП будет сохранять отсчет постоянным в течении всего времени преобразования и поможет избежать апертурной погрешности.

Принципиальная схема блока  УВХ приведена на рисунке 4.4.1.

Рисунок 4.4.1. Принципиальная схема блока УВХ.

 

В качестве УВХ используется микросхема SHC804.

Для того, чтобы в каждый момент времени на выходе УВХ было запомненное напряжение в данном проекте используется двухтактная схема УВХ. 

Устройства выборки-хранения переключаются  с частотой вдвое меньшей, чем  частота дискретизации. В то время, как одна микросхема УВХ находится  в режиме слежения, другая – в режиме запоминания. Ключ DA11 обеспечивает подключение к шине УВХ, находящегося в режиме запоминания.

Устройство выборки хранения находится  в режиме слежения в течение 1 мкс.  
4.5. Проектирование устройства сравнения.

 

Устройство сравнения предназначено для определения знака входного сигнала, а также для сравнения сигнала с УВХ с сигналом, снимаемым с ЦАП, и выдачи результата сравнения на регистр последовательных приближений.

Устройство сравнения представляет собой сдвоенный компаратор. Принципиальная схема устройства сравнения приведена на рисунке 4.5.1.

Рисунок 4.5.1. Принципиальная схема устройства сравнения.

В качестве сравнивающего элемента в схеме используется компаратор MAX962.

Компаратор А используется как  определитель знака, а компаратор В – для сравнения входного напряжения с выходным напряжением ЦАП.

 

4.6. Проектирование  блока ЦАП.

В данной работе применяется 12-и разрядный  ЦАП фирмы Analоg Devices AD568 c токовым выходом и встроенным источником опорного напряжения. Максимальный выходной ток – 10.24 мА, время преобразования – 35 нс. Микросхема включена следующим образом: младший разряд D11 не используется.

Сигнал с ЦАП'а сравнивается компаратором с напряжением, поступающим с УВХ.

Схема включения ЦАП приведена  на рисунке 4.6.1.

Рисунок 4.6.1. Схема включения  ЦАП.

Нужно обеспечить шаг квантования  сигнала h=1,5 мВ, при числе разрядов n=11.

Максимальный выходной ток ЦАП  I_вых=10,24 мА.

Данная схема включения AD568 является стандартной схемой включения данного ЦАП с выходом по напряжению, и приведена в документации. Максимальное выходное напряжение каскада на усилителе DA6 составляет +10,24 В. Основной предел измерения проектируемого АЦП составляет +3В. Так как фильтр низких частот обеспечивает коэффициент усиления равный двум, то максимальное напряжение на выходе блока ЦАП должно составлять +6В.

 

Для преобразования максимального  выходного напряжения каскада на ОУ DA6 в напряжение +6В используется резистивный делитель напряжения, спроектированный на резисторах R16, R17, R26.

Коэффициент деления равен:

Коэффициент деления через параметры  резистивного деления можно выразить следующим образом:

 

Типы и номиналы элементов схемы включения ЦАП приведены в таблице 4.6.1.

Таблица 4.6.1. Типы и номиналы элементов  схемы включения ЦАП

Обозначение	Тип
С12, C13	К10-43 – 50В – 100пФ ±5%
R15, R14	C2-13 – 0.125 – 100КОм ±5%
R19	C2-13 – 0.125 – 111Ом ±0,1%
R20	СП3-19А-0.5-15кОм 10%;
R16	C2-13 – 0.125 – 7.06КОм ±0,1%
R17	C2-13 – 0.125 – 7.5КОм ±0,1%
R26	СП3-19А-0.5-4.7кОм 10%;

 

 

4.7. Проектирование  схемы тактирования АЦП.

Схема тактирования предназначена  для подачи тактовых импульсов, а  также для подачи стартового импульса на регистр последовательных приближений. Схема также обеспечивает сброс значений при включении АЦП.

Таким образом, схема тактирования состоит из:

• генератора тактовых импульсов, который вырабатывает тактовые частоты для РПП и УВХ.
• Схемы сброса, производящей сброс системы при включении АЦП, при нажатии кнопки “Сброс”.
• Схемы задержки, вырабатывающей импульсы сброса.

Принципиальная схема генератора приведена на рисунке 4.7.1.

Рисунок 4.7.1 Принципиальная схема  генератора.

Схема состоит из генератора частоты 50 МГц, построенного на логических элементах(DD2:1, DD2:2, DD3:3), переключателя на частоту внешнего генератора (SA2), делителя частоты, построенного на цифровых счетчиках КР1533ИЕ2 (DD5, DD6). Делитель частоты вырабатывает следующие частоты:

• 25 МГц – для тактирования РПП
• 1 МГц – для сброса РПП в начале цикла преобразования
• 500 Гц – для переключения режимов микросхем УВХ (DA9, DA10).

Для запуска АЦП на вход S (старт) регистра последовательных приближений DD9 необходимо подать сигнал низкого уровня длительностью не менее 2-х периодов тактовой частоты (25 МГц), т.е. не менее 80 нс. Этот импульс формируется за счёт формирователя импульса по переднему фронту сигнала, построенного на микросхемах DD3, DD7, DD8 КР155ЛА3. Задержка переключения этих микросхем из состояния лог.“1” в “0” составляет 15 нс, а из состояния “0” в “1” – 22нс. Таким образом, общая длительность сформированного импульса составит

22+15+22+15+22=96 нс,      

что вполне достаточно для запуска  РПП. Таким образом, в начале каждого цикла преобразования будет формироваться импульс длительностью 96 нс и периодом повторения 1000 нс, запускающий РПП.

 

Принципиальная схема блока  задержки приведена на рисунке 4.7.2.

Рисунок 4.7.2. Принципиальная схема задержки.

 

Принципиальная схема блока сброса приведена на рисунке 4.7.3.

Рисунок 4.7.3  Принципиальная схема  блока сброса.

Схема ручного запуска РПП построена  на микросхеме одновибратора КР155АГ1. Он настроен таким образом, что при  нажатии кнопки SA1  на его выходе формируется импульс высокого уровня, по длительности равный времени дискретизации, т.е. 1000 нс, который обеспечит прохождение стартового импульса через ключ DD8:3.

В статическом режиме на входах А1, А2, В микросхемы 155АГ1 присутствует высокий уровень. В этой ситуации вывод Q определен низким уровнем логического сигнала. В момент коммутации ключа SA1 происходит перепад логических сигналов на входах А1 и А2. Цепь питания на +5В замыкается через сопротивление R1. В момент данного перепада происходит запуск одновибратора и на выходе Q выставится импульс высокого уровня, длительностью, определенной RC – цепочкой С1, R2. В статическом режиме работы при замкнутом ключе SA1 на выходе Q будет также присутствовать сигнал низкого уровня.

Длительность импульса, выдаваемого одновибратором определяется из параметров C1 и R2 следующим выражением:

 

В данном случае необходимо получить импульс длительностью 1 мкс. Выберем  емкость С1 номиналом 1000 пФ. Тогда  R2 можно определить из выражения:

Ком.

При включении питания АЦП на выходах счетчиков DD4 и DD5 могут присутствовать случайные значения, следовательно, эти счетчики необходимо сбросить. Сигнал сброса счетчиков формируется RC-цепочкой C5, R8. Время импульса определяется параметрами RC, а также временами задержки блоков микросхемы DD2.3 и DD3.1. Они необходимы для увеличения крутизны фронтов импульса. Время их задержки составит 37нс.

Выберем постоянную времени RC-цепочки – 70 нс. Примем С5 за 100пФ и рассчитаем значение R8.

Типы и номиналы пассивных элементов  схемы запуска АЦП приведены  в таблице 4.7.1.

Таблица 4.7.1. Типы и номиналы пассивных  элементов схемы запуска АЦП.

Обозначение	Тип
С1	К10-43 – 50В – 1нФ ±5%
C4..C5	К10-43 – 50В – 100пФ ±5%
R2	C2-13 – 0.125 – 1.47КОм ±5%
R1	C2-13 – 0.125 – 10КОм ±5%
R7..R8	C2-13 – 0.125 – 715Ом ±5%

 

4.8. Проектирование  блока РПП.

В данной схеме используется импортный аналог регистра последовательных приближений К155ИР17 -  микросхему фирмы AMD – АМ2504, которая работает на частоте 25 МГц и предназначена для построения 12-разрядных АЦП.

Алгоритм работы РПП следующий: на вход С (вывод 13) подаётся тактовая частота 25МГц, при подаче на вход SТ (вывод 14) импульса низкого уровня, длительностью не менее двух периодов тактовой частоты (не менее 80 нс.) происходит сброс данных на выходе РПП (выходы Q0..Q11) в нуль за первый период тактовой частоты и выставление “единицы” в старшем разряде РПП Q11. Вход DI (вывод 11) служит для принятия последовательного цифрового слова. На этот вход будут поступать нули и единицы, являющиеся результатами поразрядного взвешивания. При положительных перепадах на тактовом входе С данные заполняют ячейки Q0..Q11 и транслируются в последовательном коде с выхода DO (вывод 2). По завершению преобразования на выходе QSS (вывод 3) появляется напряжение низкого уровня, по которому производим запись в выходные регистры. Вход Е (вывод 1) служит для приёма сигнала останова. Сигнал высокого уровня, поданный на этот вход, останавливает преобразование.

 

Схема включения РПП приведена на рисунке 4.8.1.

 

Рисунок 4.8.1 Схема включения  РПП . 
4.9. Проектирование блока выходных регистров.